Фред Адамс - Пять возрастов Вселенной

Печатая без остановки, Корнелий вводит свою историю в эпоху распада, с ее коричневыми карликами, белыми карликами, нейтронными звездами и черными дырами. Посреди этой замерзшей пустыни темная материя медленно собирается внутри мертвых звезд и аннигилирует в излучение, которое питает космос. Распад протона выходит на сцену в конце этой главы, когда медленно утекает масса-энергия вырожденных остатков звезд, а жизнь, основанная на углероде, полностью вымирает.

Когда усталый автор продолжает свой труд, единственными героями его повествования остаются черные дыры. Но и черные дыры не могут жить вечно. Испуская слабый как никогда свет, эти темные объекты испаряются в ходе медленного квантово-механического процесса. В отсутствие другого источника энергии Вселенная вынуждена довольствоваться этим скудным количеством света. После испарения самых крупных черных дыр переходные сумерки эпохи черных дыр сдаются под натиском еще более глубокой черноты.

В начале заключительной главы у Корнелия заканчивается бумага, но не время. Во Вселенной больше нет звездных объектов, а только бесполезные продукты, оставшиеся от предыдущих космических катастроф. В эту холодную, темную и очень далекую эпоху вечной тьмы космическая деятельность заметно замедляется. Чрезвычайно низкие уровни энергии согласуются с огромными промежутками времени. После своей огненной юности и полного энергии среднего возраста теперешняя Вселенная медленно вползает в темноту.

По мере старения Вселенной ее характер постоянно меняется. На каждом этапе своей будущей эволюции Вселенная поддерживает удивительное разнообразие сложных физических процессов и другое интересное поведение. Наша биография Вселенной, от ее рождения во взрыве до долгого и постепенного скольжения в вечную тьму, основана на современном понимании законов физики и чудес астрофизики. Благодаря обширности и обстоятельности современной науки, это повествование представляет самое вероятное видение будущего, которое мы можем составить.

Когда мы обсуждаем обширный диапазон экзотического поведения Вселенной, возможного в будущем, читатель может подумать, что произойти может вообще все, что угодно. Но это не так. Несмотря на изобилие физических возможностей, на самом деле произойдет лишь крошечная доля теоретически возможных событий.

Прежде всего, на любое разрешенное поведение строгие ограничения накладывают законы физики. Должен соблюдаться закон сохранения общей энергии. Не должен нарушаться закон сохранения электрического заряда. Основной направляющей концепцией является второй закон термодинамики, который формально гласит, что общая энтропия физической системы должна возрастать. Грубо говоря, этот закон предполагает, что системы должны эволюционировать в состояния увеличения беспорядка. На практике второй закон термодинамики заставляет тепло переходить от горячих объектов к холодным, а не наоборот.

Но даже в рамках процессов, разрешенных законами физики, многие события, которые могли бы произойти в принципе, на деле никогда не происходят. Одна общая причина состоит в том, что они просто требуют слишком долгого времени, и первыми происходят другие процессы, которые их опережают. Хорошим примером этой тенденции служит процесс холодного синтеза. Как мы уже отмечали в связи с ядерными реакциями в недрах звезд, самым стабильным из всех возможных ядер является ядро железа. Множество более мелких ядер типа водорода или гелия отдали бы свою энергию, если бы могли объединиться в ядро железа. На другом конце периодической таблицы более крупные ядра типа урана тоже отдали бы свою энергию, если бы их можно было разделить на части, а из этих частей составить ядро железа. Железо представляет собой самое низкоэнергетическое состояние, доступное ядрам. Ядра стремятся к пребыванию в форме железа, но энергетические барьеры препятствуют тому, чтобы это преобразование могло легко произойти при большинстве условий. Чтобы преодолеть эти энергетические барьеры, как правило, нужны либо высокие температуры, либо продолжительные промежутки времени.

Рассмотрим большой кусок твердого вещества типа камня или, быть может, планеты. Структура этого твердого тела не изменяется благодаря обычным электромагнитным силам, вроде тех, что участвуют в химической связи. Вместо сохранения своего исходного ядерного состава вещество, в принципе, могло бы перегруппироваться так, чтобы все его атомные ядра превратились в железо. Чтобы произошла подобная реструктуризация вещества, ядра должны преодолеть электрические силы, удерживающие это вещество в том виде, в каком оно существует, и электрические силы отталкивания, с которыми ядра действуют друг на друга. Эти электрические силы создают сильный энергетический барьер, во многом напоминающий барьер, изображенный на рис. 23. Из-за этого барьера ядра должны перегруппировываться посредством квантово-механического туннелирования (как только ядра проникают через барьер, сильное притяжение инициирует синтез). Таким образом, наш кусок вещества выказал бы ядерную активность. При наличии достаточного времени весь камень или вся планета превратились бы в чистое железо.

Сколько времени заняла бы подобная реструктуризация ядер? Ядерная активность такого типа преобразовала бы ядра камня в железо примерно за пятнадцать сотен космологических декад. Если бы произошел этот ядерный процесс, в космос была бы испущена избыточная энергия, потому что ядра железа соответствуют более низкому энергетическому состоянию. Однако этот процесс холодного ядерного синтеза никогда не будет доведен до конца. Он даже никогда по-настоящему не начнется. Все протоны, составляющие ядра, распадутся на меньшие частицы много раньше, чем ядра преобразуются в железо. Даже самое длинное возможное время жизни протона составляет менее двухсот космологических декад — много короче огромного промежутка времени, необходимого для холодного синтеза. Другими словами, ядра распадутся прежде, чем у них появится шанс превратиться в железо.

Другой физический процесс, требующий слишком долгого времени, чтобы считаться важным для космологии, — это туннелирование вырожденных звезд в черные дыры. Поскольку черные дыры — это самые низкоэнергетические состояния, доступные звездам, вырожденный объект типа белого карлика имеет большую энергию, чем черная дыра той же массы. Таким образом, если бы белый карлик мог самопроизвольно преобразоваться в черную дыру, он высвободил бы лишнюю энергию. Однако обычно подобного преобразования не происходит из-за энергетического барьера, создаваемого давлением вырожденного газа, который поддерживает существование белого карлика.